Brökel, Klaus

Hadler, Jana

Paschen, Mathias

Semlow, Christian

German

Hydraulic Engineering Repository

Conference Paper, Published VersionHadler, Jana; Semlow, Christian; Brökel, Klaus; Paschen, MathiasFreistromenergiekonverter geringer Leistung -strömungstechnische und konstruktive BetrachtungenDresdner Wasserbauliche MitteilungenZur Verfügung gestellt in Kooperation mit/Provided in Cooperation with:Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technischeHydromechanikVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/103722Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Hadler, Jana; Semlow, Christian; Brökel, Klaus; Paschen, Mathias (2009):Freistromenergiekonverter geringer Leistung - strömungstechnische und konstruktiveBetrachtungen. In: Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technischeHydromechanik (Hg.): Wasserkraftnutzung im Zeichen des Klimawandels. DresdnerWasserbauliche Mitteilungen 39. Dresden: Technische Universität Dresden, Institut fürWasserbau und technische Hydromechanik. S. 409-416.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.Wasserbaukolloquium 2009: Wasserkraft im Zetchen des KlimawandelsDresdener WasserbauIiche Mitteilungen Heft 39Freistromenergiekonverter geringer Leistung -strlimungstechnische und konstruktiveBetrachtungenJana Hadler, Christian Semlow, Klaus Brijkel, Mathias PaschenDie Lehrstiihle fur Konstruktionstechnik/CAD und Meeresteclmik der UniversitatRostock haben sich die Aufgabe gestellt, im Rahmen des EC-Projektes HYLOWdas Modell eines Freistromenergiewandlers (FSEC) zu entwickeln. Diese Entwic-klung beinhaltet den konstruktiven Entwurf auf Basis experimenteller hydrodyna-mischer Untersuchungen an kleinskaligen Modellen unter Laborbedingungeilsowie an einem groBskaligen Funktionsmodell in einem naturlichen FlieBgewas-ser. Zusammen mit der Forderung nach Mobilitat wird ein komplexes Produktentstehen, welches fur Nutzer in wimchaftlicher und 6kologischer Hinsichtuberzeugt.Both, the divisions for Engineering Design and Ocean Engineering of theUniversity of Rostock are responsible for the geometrical draught of the model ofa free stream energy converter (FSEC) in the frame of the EC-project HYLOW.The development will be done on the basis of both, hydrodynamic tests with downScaled models in a flame tank and full scale tests in natural waters. Because of thedemand for mobility a complex product will be created, which is convincing interms of economy as well as ecology.1 EinleitungDer Mensch ist seit jeher versucht, die Stramungsenergie von Wasser zu nutzen.Ein Blick in die Historie zeigt, dass dieses iiber Jahrhunderte auf verschiedeneArt und Weise versucht wurde und zum Teil mit erstaunlichen Ergebnissen auchgelang. Erste Konstruktionen antiker Wasserrader wurden bereits in den Ab-handlungen von Vitruv vor 2000 Jahren beschrieben. Auch schwimmendeWasserkraftanlagen, um die es unter anderem bei HYLOW geht, sind bekannt.Allein auf der Elbe hat es im 15./16. Jahrhundert uber 500 tiefschlachtigeWassedder in Form von Schiffsmahlen gegeben.Auf der Welt werden etwa 16 % bis 20 %, die Angaben hierzu differieren, derErzeugung elektrischen Stromes itber die Nutzung der Wasserkraft realisiert.Das nutzbare Wasserkraftpotential liegt jedoch viel h6her, was gleichermaBen409410 Fmistromenergiekonverter geringer Leismng- st,amingstechnische und kons ktive Betmchtungenfar europilische Industrienationen und Entwicklungsllinder mkunflig interessantseinkann.Da FlieBgewasser vieler Lander nicht mit groBen natiklichen Gefallen ausge-stattet sind, gewinnt auch die Nutzung kleiner Energiepotentiale an Bedeutung.Dieses stellt eine bisher kaum genutzte Energiequelle dar. Das von der Europii-ischen Kommission gef6rderte Forschungsvorhaben „Hydropower converterswith very low head differences (HYLOW)" widmet sich der Aufgabe, tech-nische Wirkprinzipien zu entwickeln bzw. bekannte so zu synthetisieren, dasseine wirtschaftliche und umweltgerechte Nutzung dieser Energiepotentialemaglich wird.2 Versuchsmodelle zur ProjektumsetzimgBei dem Free Stream Energy Converter (FSEC) als Teil des HYLOW-Projekteshandelt es sich um eine freischwimmende Wasserkraftanlage. Deren Positio-nierung im FlieBgewiisser erfolgt so aber ein Ankersystem, dass u. a. dieSicherheit und Leichtigkeit des Schiffsverkehrs nicht signifikant beeintrachtigtwerden.Projektziel ist die Entwicklung, der Bau und die in-situ-Erprobung eines groB-skaligen Modells vom FSEC. Zur Klamng phanomenologischer Fragestellungenuber die relevanten Fluid-Struktur-Wechselwirkungen dienen experimentelleVoruntersuchungen an kleinskaligen Modellen unter Laborbedingungen. Dienachfolgend beschriebenen Versuchsmodelle sind bislang ohne Schwimmk8rperdimensioniert worden, um den Einfluss verschiedener geometrischer Parameterauf den Wirkungsgrad der Energiewandlung zu quantifizieren.Die hydrodynamischen Untersuchungen konzentrieren sich auf das Ermittelneines Optimums von geometrischen Verhaltnissen zwischen Schaufetradblattund umgebenden Flachen zur Kanalisation der Str6mung in Bezug auf Spalt-maBe, Radposition und -durchmesser, Schaufelanzahl, -form und -flachendesign'sowie Langen-Breiten-Verhaltnisse. Aus diesem Ergebnis wird die konstruktiveGestaltung des Schwimmkorpers abgeleitet.2.1 Modellversuche an der Universitit in SouthamptonEin bereits bestehendes Versuchsmodell in Southampton lieferte Ergebnisse zurFluid-Struktur-Wechselwirkung bei einem Verhaltnis der Struktur- zur Kanal-breite von 1 : 3. Geometrie und Versuchsanordnung sind in Abbildung 1 darge-stellt, deutlich zu erkennen ist der beobachtete H6henunterschied von 60 mm(Differenz von 120 auf 60 [mm]).Wasserbaukonoquium 2009: Wasserkmft im Zeichen des KhmawandelsDresdenerWassabauliche Mitteilungen Heft 39Untersucht warden die Einflusse geometrischer Veranderungen am Ein- undAuslauf, verschiedener Spaltbreiten und wechselnder Radeintauchtiefen. BeiFlieBgeschwindigkeiten von 0,5 bis 0,64 [m/s] konnten Wirkungsgrade zwi-schen 30 und 40 [%] festgestent werden.Ba.*ir:'*.=P- 9ED£-jmsj--4 .-R.MO_L. 1 1-r uthy- ==* 11,·11-- iTIFmil " 4,0- 4 1.A.--..-Abbildung 1 Darstellung des Versuchsmodells in Southampton (Fruhjahr 2008) [l]Inwieweit die Ergebnisse unter diesen Randbedingungen (Verhalmis Struktur-/Kanalbreite) auf Anwendungen ohne den Einfluss einer seitlichen Kanalbe-grenzung tibertragbar sind, ist auch Gegenstand der Untersuchungen an derUniversitat Rostock.2.2 Modellversuche an der Universitat in RostockEine numerische Simulation der wesentlichen Fluid-Struktur-Wechselwirkungenist auf Grund der Komplexitit der EinflussgrdBen infolge der Zithigkeit undWirbelbildung des Wassers, der unterschiedlichen 6rtlichen Randbedingungensowie der geometrischen Gestaltungs- und Konstruktionsvarianten autierordent-lich aufwindig. Modellexpelimente unter reproduzierbaren Bedingungen fihrenin dieser Phase zu sicheren und verwertbaren Brgebnissen. Gleiches gilt far dieFindung einer optimalen gestalterischen L6sung durch Variation von Elementeneiner modular aufgebauten Wasserkraftanlage.Im Projekt wird dieses dadurch realisiert, indem ein weitgehend beliebigesZuordnen und Filgen der Komponenten zu unterschiedlichen Geometrien undMaBverhaltnissen am Modell (1500 mm x 510 mmx 800 mm) m6glich wirdund dadurch die umfangreichen Versuchsreihen einen geringen Umbauaufwanderfordem (Abbildung 2).4111I1412 Freistromenergiekonvuter gesi ger Leistung- stranungstechnische und konsmikdve BewachtungenMI,=f- :r.74.4.C4*:uP 473 -4':4,2 iAbbildung 2 Darstellung des Versuchsmodells in Rostock (Sommer 2008), links dasModell aus CATIA V5, rechts das aus Stahlblech gefertigte Modell2.3 Modellvariante Rir erste FreilanduntersuchungenDas in 2.2 beschriebene Modell bietet zahlreiche Erprobungsmaglichkeiten.Seine Funktionalitat wurde bereits im groBen Niedergeschwindigkeitswindkanalder Universitiit Rostock bei Strilmungsgeschwindigkeiten von bis zu 10 mlstiberpruft. Nachste Tests erfolgen im freien Gelande in einem Flusslauf naheRostock. Uber eine Aufhangung, wie in Abbildung 3 vereinfacht dargestellt, istdas Modell stufenlos in der Hohe justierbar. Damit werden unterschiedlicheSchwimmlagen simuliert.Abbildung 3 Vereinfachte Variante far die Authiingung des Modells im FlussDie Konstruktion dieses Versuchsaufbaus gewahrleistet durch hehenverstellbareFliBe auch den Einsatz auf Unebenheiten des Gewasserbodens. Diagonalver-spannungen der vertikalen Stutzen sichern die notwendige Strukturfestigkeit.Wasserbaukolloquium 2009: Wasserkraft im Zeichen des KlimawandelsDresdener Wasserbauliche Mitteilungen Heft 39Die an der Welle abgreifbare Leistung wird mittels Reibradmethode ermittelt.Das daftir erforderliche Drehmoment wird fiber die gemessene Reibkraft be-rechnet. Die Drehzahl wird iiber einen Drehimpulsgeber gemessen.3 Versuche und deren ErgebnisseErste Voruntersuchungen wurden zur Klarung von Fluid-Struktur-Wechselwir-kungen an einer in einem Strumungstank angebrachten Kulisse, wie sie vonunterschlachtigen Wassetradem bekannt ist, durchgefahrt. Eine senkrecht ange-brachte ebene Platte simuliert eine auf 6 Ubr stehende Wasserradschaufel.Untersucht wurde der Einfluss unterschiedlicher Perforationen mit und ohneSpaltmaB sowie die Schaufelblattposition in Lingsrichtung der Kulisse (Abbil-dung 4).Abbildung 4 Modell im Stramungskanal an der Universitat RostockGleichartige Untersuchungen wurden im groBen Niedergeschwindigkeitswind-kanal durchgefuhrt (Abbildung 5).Die Ergebnisse aus den Windkanaluntersuchungen sind mit Hilfe der bekanntenModellgesetze zur Ahnlichkeitsmechanik auf die Bedingungen unter Wasserein-Russ anwendbar.414 Freiswomenergiekonveitergednger Leiswng - stfmungstechnische und konsbukve Betrachtungen.....6/0.-Abbildung 5 Modell im Windkanal an der Universitat Rostock (links: perforierte Platte,rechts: geschlossene Platte mit Luftspalt)4 Erste VersuchsergebnisseOhne auf die detaillierten Versuchsdaten einzugehen, lassen sich aus denbisherigen Experimenten folgende Ergebnisse ableiten:1. Es gibt ein optimales SpaltmaB zwischen Schaufelblattunterkante undBodenplatte des Schwimmkdrpers in Abhtingigkeit von der Eintauchtiefe.2. Perforierte Platten bieten einen gleichf6rmigeren Widerstand bezogen aufeine Position in Langsrichtung als geschlossene Platten mit einem Spalt.Diese weisen Positionen mit deutlichen Maxima fur Kraft und Moment auf.3. Erste Beobachtungen lassen den Schluss zu, dass eine Druckreduzierung imAbstr6mbereich eine gr68ere Bedeutung auf das Erreichen einer maximalenDruckdifferenz hat als eine Druckerhahung im Anstrambereich des Schau-felblattes.5 Konstruktives VorgehenMit Projektbeginn sind alle Forderungen und Wansche an das komplexe Produktin einer Anforderungsliste zusammengetragen worden, die im Laufe der Zeitimmer weiter prizisiert wurde und wird. Varianten des groBskaligen Modellswurden diskutiert und bewertet. Anhand dieser theoretischen Vorarbeiten sindeinzelne CAD-Modelle (siehe Abbildung 6) entstanden, die neben den Experi-menten mit den kleineren Versuchsmodellen zur Findung der fmalen Geometriedienen.  .1 ' Wasserbaukolloquium 2009 Wasserkraft im Zeichen des KlimawandelsDresdener Wasserbauliche Mittelungen Heft 39Weitere GeometrieeinflussgrOBen sind die Gegebenheiten der Ausbringungsorte,die Transport- und die Einsetzm6glichkeiten. Der FSEC wird komplett montiertdirekt zum Ausbringungsort gebracht, das heiBt, Belastungsgrenzen und Abmes-sungen fur StraBen- und Verladefahrzeuge sind einzuhalten. Von Bedeutung fitdie Konstruktion ist auch die Tatsache, dass in dem Flusslauf keine gleich-fdrmige Tiefe vorhanden ist, sondern dass das Flussprofil am Ausbringungsortvariiert.Abbildung 6 Beispiele fir CAD-Modelle nach VariantendiskussionIn der Planung des HYLOW-Projektes ist von aufwiindigen numerischen Analy-sen Abstand genommen worden (wie unter 2.2 beschrieben). Das schlieBtjedochnicht aus, dass Teilaspekte durchaus numerisch analysiert werden, um denKonstruktionsprozess zu beschleunigen.6 Zusammenfassung und AusblickEs ist sicher, dass die Nutzung der Strumungsenergie schwach flieBenderGewasser in den kommenden Jahren erheblich an Bedeutung gewinnen wird.Hauptgrande daftir sind zum einen der natiirliche Wasserkreislauf, der dieWasserkraft zu einem permanent ver igbaren Energietrager macht, und zumanderen wird damit eine Verz6gerung des Versiegens anderer naturlicherRessourcen herbeigefuhrt [2].HYLOW befindet sich mit seinem FSEC - Projekt in der Phase der Grundlagen-versuche. Nach Abschluss samtlicher Voruntersuchungen, der Experimente mitdem kleinskaligen Modell und den vereinfachten numerischen Analysen wird inden kommenden Wochen die Grobgeometrie erstellt. Die Ubergabe der Ferti-415416 Freistromenergieko ivenergeringer Leistung - stramungstechnische und konstriktive Betrachtungengungsunterlagen zur Herstellung des groBskaligen Mo(tells erfolgt im Sommer2009 an das im Projekt involvierte Stahlbauunternehmen.Im Frtihiallr 2010 wird das groBskalige Modell mit einer Gesamtlange von ca.8 m und einer Breite von ca. 2,50 m in einem Fluss in der Umgebung vonRostock installiert. Das Modell wird dort einige Monate beobachtet, im Bedarfs-fall mit Andemngen versehen werden und spater in einem anderen Gewasserunter Einfluss von Tide und Schiffsverkehr ausgebracht und erprobt.Letztendliches Ziel ist die Entwicklung wines FSEC bei niedrigen Strtlmungsge-schwindigkeiten for einen moglichst hohen Gesamtwirkungsgrad als Beispiel-konstruktion flir eine praxistaugliche Umsetzung schwimmender Kleinwasser-kraftanlagen.DanksagungDie Autoren bedanken sich fur die Unterstutzung der Forschungstatigkeitendurch die Europjische Kommission im 7. Rahmenprogramm, Vertragsnummer212423.Literatur/References[1] Seventh Framework Programme, Theme [FP7-Energy-2007-1-RTD]:Annex I - „Description of Work". Project Full Title: Hydropowerconverters with very low head differences, Grant agreement no.: 212423[2] Hadler, J. Br6kel, K.: Wasserkraft - ein konstruktiver Blick in dieZukunft. In: 6. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik 2008,Aachen, Oktober 2008, Shaker VerlagAutoren/Authors:Dipl. Wi.-Ing. Jana Hadler, Dipl.-Ing. Christian Sen]lowProf. Klaus Br6kel Prof. Mathias PaschenUniversitit Rostock Universitat RostockLebrstulll far Konstruktionstechnik/CAD Lehrstuhl flir MeerestechnikAlbert-Einstein-StraBe 2 Albert-Einstein-StraBe 2D-18059 Rostock D-18059 RostockTel.: +49 - 381 - 4989170 Tel.: +49 - 381 - 4989230Fax: +49 - 381 - 4989172 Fax: +49 - 381 - 4989232jana.hadler@uni-rostock.de christian.semlow@uni-rostock.deklaus.broekel@uni-rostock.de mathias.paschen@uni-rostock.de

Freistromenergiekonverter geringer Leistung - strömungstechnische und konstruktive Betrachtungen

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Freistromenergiekonverter geringer Leistung - strömungstechnische und konstruktive Betrachtungen

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